激光传感器的应用与优势

激光是20世纪60年代发展起来的新技术，现已广泛应用于各个领域中。在计量技术方面激光干涉测长已成为长度测量获得最高精度的方法，并在1983年用激光波长正式取代氪（Kr86）波长作为长度计量的基准。随着激光技术及电子技术的普及，激光正在越来越广泛地运用于国防事业、工业生产、医学和卫生等领域。

（一）激光的特性

1.单色性好

激光由它内部的属性决定了它是一种持续时间长、传播方向一致、谱线宽度窄、相位一致的单色光，其谱线宽度Δ＜10-7Å。因此它的最大可测长度远比Kr86大得多。

2.方向性好

激光能够实现光轴方向的定向发射，其亮度较普通光源提高了亿倍以上，且其发射的几乎是完整的平面波，光束集中效果更好，可实现远距离测量。

3.相干性好

激光是受激辐射发光，各发光中心相互联系，它们的频率、相位、传播方向以及偏振方向都完全一致，所以相干性很好，可利用干涉测长以实现精密测量，还可应用于全息照相干涉计量技术中。

（二）常用激光传感器

1.激光干涉传感器

（1）单频激光干涉传感器。激光干涉测长仪是以激光波长为基准用干涉条纹计数的方法高精度地测量工件长度或工作台位移的仪器。

（2）双频激光干涉传感器。双频激光器是一种应用塞曼（Zeeman）效应的He-Ne气体激光器。所谓塞曼效应，即用一轴向磁场把单模的氦氖激光器发出的主谱线分裂为两束强度相等、旋向相反的圆偏振光。

（3）激光干涉仪测量系统。从干涉仪光源中射出的光束被分成两束相位和频率关系已知的光束，一束射到基准反射板上，另一束射到反射板上反射后到达被测位移量的物体上，然后两光束回到干涉仪中进行混合和干涉。最后所得的干涉图像是辐射调制的光信号，作为两干涉光束的相位差函数，这种干涉信号对波前误差影响不大，因此它可以通过一个前端置有光学部件的光纤传送至光学检测器，该光学部件可以将光聚焦到光纤上。光纤连接至电子接收器上，将光照转换成电信号，并将其传送给信号处理单元。

2.激光衍射传感器

用平行光束照射细丝时，在其后面的屏幕上便能获得夫琅禾费衍射像。(www.xing528.com)

3.激光扫描传感器

激光扫描传感器利用激光方向性好的特点，对工件尺寸进行非接触自动测量。

4.其他激光器

常用的激光器有以红宝石激光器、掺铷的钇铝石榴石激光器（简称YAG激光器）和铷玻璃激光器为代表的固体激光器，有机液体激光器，以二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器为主的气体激光器，以及半导体激光器。而半导体激光器中具有代表性的砷化镓激光器广泛应用于飞机、军舰、坦克、火炮上瞄准、制导和测距等。

（三）激光检测技术的应用

激光检测是利用激光方向性好、相干性优异等特性，并配以相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时间短和非接触式等优点。它可用于位移和长度的测量，还能够测量流速。

1.流速测量

多普勒流速计是利用激光测量流速的常用仪器，它是基于多普勒原理，根据散射光的频率相对于入射光会产生正比于流体速度的频率偏移，测出散射光的频率偏移，就可得到被测流体的流速。可用于测量大气风速、风洞气流速度和火箭燃料的燃速等。当激光照射到随被测流体一起运动的微粒上时，激光被运动着的微粒所散射，散射光与未散射光分别由两个接收透镜收集，并经过平面镜和分光镜重合后在光电倍增管中进行混频，输出一个交流信号。对该交流信号进行处理，即可得到多普勒频偏值，从而获得流体的流速。激光流速计的测量精度取决于信号处理系统的精度。

2.激光测距

激光测距的原理是利用脉冲激光器将光速为c的激光脉冲或者激光脉冲串射向被测物体，测量激光脉冲到达目标并被物体反射回的时间，即可求得被测物体与激光器间的距离d，即

式中，t为激光发出与接收到返回信号之间的时间间隔。

常用的激光脉冲测距仪的工作过程如下：当测距仪对准目标物体后，激光器发出一个很强很窄的光脉冲，同时，其中极小一部分光立即由两块反射镜反射进入接收望远镜，经过滤光片到达光电转换器（光电倍增管或光敏二极管等光电元件），使光脉冲变为电脉冲。该电脉冲经过放大、整形后送入时间测量系统，使其开始计时。而射向目标物体的光脉冲，由于目标的漫反射作用，总有一部分光从原路反射回来，进入接收望远镜，它同样经过滤光片、光电转换器、放大整形电路后进入时间测量系统，使其停止计时，由此可得到激光往返的时间。

由此可见，测量时精度决定着激光测距的精度。要提高精度，就要求脉冲激光束的脉冲宽度尽可能窄，光接收器的响应速度尽可能地快。因此，常用输出功率较大的固体激光器与二氧化碳激光器作为激光源完成远距离测量；而近距离测量则用砷化镓半导体激光器作为激光源。激光雷达是在激光测距仪的基础上发展起来的新型测量仪器，它不仅可以测定运动目标的距离，还可以测定运动目标的方位和运动状态。激光雷达较一般雷达的测量精度高，探测距离远，抗干扰能力强。